在役乙烯裂解爐管金相組織分析與力學性能研究

陳德昌 張佳亮 胡足(蘭州石化公司研究院， 蘭州 730060)

在役乙烯裂解爐管金相組織分析與力學性能研究

陳德昌 張佳亮 胡足(蘭州石化公司研究院， 蘭州 730060)

本次試驗對服役8年的U型輻射段爐管進行了宏觀形貌、化學成分、金相組織、元素面掃描及力學性能測試研究，結(jié)果表明，爐管沒有發(fā)生明顯的蠕脹和彎曲變形，但已發(fā)生滲碳，組織劣化嚴重，高溫強度嚴重下降且呈明顯脆性，沖擊韌性值低，力學性能下降，已不適合繼續(xù)使用。

裂解爐管；滲碳；蠕變

在煉油化工工業(yè)生產(chǎn)中，乙烯的生產(chǎn)占有極其重要的地位，而乙烯生產(chǎn)裝置的投入成本也相對較高，其中僅裂解爐管一項就大約占乙烯裝置總投資的十分之一[1]。近年來隨著裂解爐爐型的改進，裂解溫度逐步的提高，工藝介質(zhì)通過時間縮短，傳熱強度提高，使爐管壁厚逐漸變薄，但同時對裂解爐管的材料性能也提出了更高要求[2]。

某石化廠乙烯裂解爐輻射爐管采用U型爐管，此種爐管具有結(jié)構(gòu)簡單，比表面積大，停留時間短，裂解爐選擇性高的特點，裂解爐的U型輻射爐管采用單排排列，與輻射爐管采用雙排排列相比，輻射爐管周向受熱更加均勻。為保證爐管的安全運行，對運行時間為8年的爐管進行理化檢驗及力學性能分析，進而評估爐管的運行狀態(tài)。

1 試驗材料

試驗材料取某自石化廠乙烯裝置U型輻射段爐管，共截取兩段爐管，1#爐管為出口管，平均外徑尺寸φ60.6mm，2#爐管為進口管，平均外徑尺寸為φ75.6mm。爐管的工作溫度為860～870℃，操作壓力為0.4～0.45MPa。爐管為離心式澆鑄管，原始化學成分如表1所示。

表1 爐管原始化學成分(wt%)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學成分分析

采用光譜對服役爐管進行了化學成分測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 服役爐管化學成分(wt%)

成分測試結(jié)果表明，爐管Ni、Mo、Mn、P、S均符合標準，Si含量稍有降低，從后面的分析中可知這是由于形成了Si的氧化物所致。Cr含量有明顯降低，從后面的分析中可知這是由于形成了Cr的氧化物所致。

2.2 爐管金相組織分析

金相檢測是判斷裂解爐管劣化程度的一個重要方法。部分爐管材質(zhì)的損傷是在劣化初始階段只能通過金相檢測來判斷，裂紋等缺陷的機理判斷也只能通過金相檢測來觀察。金相組織分析表明兩段爐管無明顯的蠕變空洞和蠕變裂紋，但服役爐管的顯微組織較原始爐管發(fā)生了明顯的變化，爐管組織中晶界碳化物已由鑄態(tài)的骨架狀轉(zhuǎn)為網(wǎng)鏈狀，晶內(nèi)奧氏體基體中的二次碳化物已基本消失，組織劣化嚴重。

2.3 元素面掃描分析

為了了解兩段滲碳爐管各元素的分布，分別對兩段爐管進行了元素面掃描分析，分析發(fā)現(xiàn)兩段爐管的元素分布基本相同，C元素和Cr元素主要以碳化物形式集中分布在晶界處，晶內(nèi)幾乎沒有C元素和Cr元素，表面晶內(nèi)碳化物已基本消失。Ni元素均勻分布在晶內(nèi)，同時在晶界位置還有少量的Nb和Si。元素面掃描圖譜表明，爐管組織嚴重劣化，高溫強度嚴重下降。

2.4 力學性能測試

滲碳使爐管材料的力學性能發(fā)生變化，對爐管的使用產(chǎn)生嚴重影響，試驗中對兩段爐管分別選取三個不同部位的樣品進行常溫力學性能測試，結(jié)果表明爐管常溫斷裂強度明顯下降，由于組織劣化，造成爐管呈明顯脆性，已無法測量屈服強度和延伸率，這也將造成爐管高溫強度嚴重下降。

3 結(jié)語

(1) 1#管段(出口管)表面氧化較嚴重，2#爐管表面狀況良好，兩段爐管均沒有明顯蠕脹和彎曲變形，爐管的元素分布基本相同，但C含量均高于原始成分，這說明爐管已發(fā)生滲碳，其他元素含量都在正常范圍內(nèi)。

(2)金相觀察表明，爐管組織中晶界碳化物已由鑄態(tài)的骨架狀轉(zhuǎn)為網(wǎng)鏈狀，晶內(nèi)奧氏體基體中的二次碳化物已基本消失，組織劣化嚴重。

(3)爐管內(nèi)C元素和Cr元素主要以碳化物形式集中分布在晶界處，晶內(nèi)幾乎沒有C元素和Cr元素，表面晶內(nèi)碳化物已基本消失。Ni元素均勻分布在晶內(nèi)，同時在晶界位置還有少量的Nb和Si。元素面掃描圖譜表明，爐管組織嚴重劣化，高溫強度嚴重下降。

(4)力學性能測試結(jié)果表明，爐管呈明顯脆性，沖擊韌性值低，力學性能嚴重下降。

(5)服役8年的裂解爐輻射爐管已不適合繼續(xù)使用，建議檢修期間更換新爐管。

[1]譚家隆,李軍輝.乙烯裂解反應管的滲碳損傷及其原因[J].機械工程材料.1989,6：45-48.

[2]關(guān)家錕.裂解爐管滲碳損傷的研究[J].石化技術(shù).1997.4(4)：216-220.